3722

P. Wang, Y. Hu, Y. Dai, and M. Tian / Journal Mathematical Problems in Engineering. — 2017. — Vol. 2017. — 13 p. — https://doi.org/10.1155/2017/1604130.

References

1. Alferov, V. I. Dorozhnye materialyna osnove bitumnykh emul'sii / V. I. Alferov. — Voronezh: Izd-vo Voronezh. gos. un-ta, 2003. — 146 s.

2. Apestin, V. K. O raskhozhdenii proektnykh i normativnykh srokov sluzhby dorozhnykh odezhd / V. K. Apestin // Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli. — 2011. — № 1. — S. 18—20.

3. Gezentsvei, L. B. Dorozhnyi asfal'tobeton / L. B. Gezentsvei, N. V. Gorelyshev, A. M. Boguslavskii,

I.V. Korolev; pod red. L. B. Gezentsveya. — Izd-e vtoroe. — M.: Transport, 1985. — 350 s.

4.Zubkov, A. F. Analiz metodov razrabotki tekhnologicheskikh protsessov uplotneniya dorozhnykh pokrytii iz goryachikh asfal'tobetonnykh smesei / A. F. Zubkov // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2006. — T. 12, № 4—2. — S. 1158—1161.

5.Zubkov, A. F. Opredelenie vozmozhnoi prodolzhitel'nosti uplotneniya pokrytii nezhestkogo tipa pri stroitel'stve avtomobil'nykh dorog / A. F. Zubkov // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2006. — T. 12, № 3—2. — S. 806—817.

6.Zubkov, A. F. Raschet kontaktnykh napryazhenii pri ukladke i uplotnenii bitumomineral'nykh smesei pri remonte dorozhnykh pokrytii / A. F. Zubkov, K. A. Andrianov, M. E. Piletskii / Privolzhskii nauchnyi zhurnal. — 2018. — № 1. — S. 64—71.

7.Zubkov, A. F. Tekhnologiya stroitel'stva asfal'tobetonnykh pokrytii avtomobil'nykh dorog / A. F. Zubkov, V. G. Odnol'ko. — M.: Mashinostroenie, 2009. — 223 s.

remonta vyboin na pokrytiyakh nezhestkogo tipa / M. E. Piletskii, A. F. Zubkov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2016. — № 1 (41). — S. 74—82.

10. Piletskii, M. E. Primenenie bitumomineral'nykh smesei pri remonte vyboin dorozhnykh pokrytii / M. E. Piletskii, A. F. Zubkov, K. A. Andrianov, I. V. Didrikh // Privolzhskii nauchnyi zhurnal. — 2017. — №3 (43). — S. 50—57.

11. Piletskii, M. E. Yamochnyi remont pokrytii nezhestkogo tipa in'ektsionno-struinym metodom / M. E. Piletskii, I. V. Didrikh, A. F. Zubkov, E. N. Tugolukov // Nauchnyi zhurnal stroitel'stva i arkhitektury. — 2018. —

№1 (49). — S. 80—88.

12.Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2017663676. Raschet deformatsii materiala pri deistvii dinamicheskoi nagruzki / M. E. Piletskii, A. F. Zubkov, K. A. Andrianov, A. M. Makarov. — Data gos. registratsii v Reestre programm dlya EVM 08.12.2017.

13. Buza, E. Pothole Detection with Image Processing and Spectral Clustering / E. Buza, S. Omanovic, A. Huseinovic // Proceedings of the 2nd International Conference on Information Technology and Computer Networks (ICTN '13). — Antalya, Turkey, 2013. — P. 48—53.

14. Evaluation of Winter Pothole Patching Methods Repor. Final Report // Prepared by: Munir D. Nazzal, P. E. Sang-Soo Kim; The Ohio Department of Transportation, Office of Statewide Planning & Research State Job. — 2014. — № 134724. — P. 13—17.

15.Griffith, A. Improved Winter Pothole Patching / A. Griffith // State Planing and Research Project. — 1998. — № 538. — P. 11—13.

16.Hot Mix Asphalt Repair // Sitemap Pavement Resources Inc.: oficial. sajt. — Available at: http://pavementresources.com/hot-mix-asphalt-repair.

17.Jones, K. M. Wet Weather Pothole Repair / K. M. Jones // Edition Tehnical Quarterly of the Texas State Department of Highways and Public Transportation. — 1988. — February. — P. 1—4.

18. Plewa, A. The effect of modifying additives on the consistency and properties of bitumen binders / A. Plewa, P. S. Belyaev, K. A. Andrianov, A. F. Zubkov, V. A. Frolov // Advanced Materials and Technologies. — 2016. — № 4. — P. 35—40.

19. Villiers, R. L. Maintenance engineering standards to fulfil the legal duty of road authorities towards saferoads / R. L. Villiers // Dissertation presented for the Degree of Doctor of Philosophy (Stellenbosch University), March 2016. — 246 p. — Available at: https://scholar.sun.ac.za.

20. Wang, P. Asphalt Pavement Pothole Detection and Segmentation Based on Wavelet Energy Field / P. Wang, Y. Hu, Y. Dai, and M. Tian / Journal Mathematical Problems in Engineering. — 2017. — Vol. 2017. — 13 p. — https://doi.org/10.1155/2017/1604130.

21

Научный журнал строительства и архитектуры

INFLUENCE OF THE LOAD-CARRYING CAPACITY OF VEHICLES WHEN PERFORMING REPAIR WORKS OF ROAD PAVEMENTS BY MEANS OF THE JET-INJECTION METHOD

M. E. Piletskii1, K. A. Andrianov2, A. F. Zubkov3

Tambov State Technical University 1, 2, 3

Russia, Tambov

1PhD student of the Dept. of Urban Construction and Highways, tel.: (4752) 63-09-20, 63-03-72, e-mail: gsiad@mail.tambov.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof., Head of the Dept. of Urban Construction and Highways,

e-mail: gsiad@mail.tambov.ru

3 D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Urban Construction and Highways, e-mail: gsiad@mail.tambov.ru

Statement of the problem. Upon the completion of repair works to eliminate defects such as potholes on non-rigid surfacing, traffic flow starts with no consideration given to the properties of a bitumen-mineral mix and load-carrying capacity of a traffic flow, which leads to the failure of the material in a surfacing pothole when applying the jet-injection method.

Results. The results of experimental studies on the effect of load on the rheological characteristics of bi- tumen-mineral mixtures are presented. The regularities between the strength and rheological characteristics of the bitumen-mineral mix taking into account the thickness of the mixture layer are established. According to the results of the experiment, the dependence of the compaction coefficient of the bitumen mineral mixture on the layer deformation under the action of the transport load was established. There are some restrictions on the carrying capacity of vehicles on the repair areas of a surfacing during the formation of the structure of the pothole material.

Conclusions. It is proved that the use of the jet-injection method in pothole repairs of a non-rigid surfacing does not provide the required characteristics of the material after it has been laid. To improve the quality of repairs, an additional compaction of a laid mixture in a pothole using vibration plates or vehicles with axial load limitation during the formation of the material structure in a pothole isrequired taking into account the properties of the bituminous mineral mix.

Keywords: jet-injection method, bituminous mineral mix, characteristics of the mix, transport load.

ХIВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ИСПЫТАНИЯМ И ИССЛЕДОВАНИЯМ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ «ТЕСТМАТ» ПО ТЕМАТИКЕ «ПРОЧНОСТЬ,НАДЕЖНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

Организатор: ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ совместно с Технологическими платформами «Материалы и технологии металлургии» и «Новые полимерные композицио

Даты проведения: 01.02.2019 — 01.02.2019

Срок подачи заявки: 20.01.2019

Официальный сайт: https://conf.viam.ru/conf/296

Место проведения: ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, г. Москва, ул. Радио, д. 17

Вниманию участников будут предложены доклады ведущих ученых и специалистов по следующим тематическим направлениям: исследование и определение характеристик прочности, усталости и трещиностойкости материалов с использованием современного испытательного оборудования и способов обработки результатов испытаний; фрактографический анализ разрушения и структурно-фазовые исследования материалов, включая эксплуатационные разрушения; исследование напряженно-деформированного состояния материалов и элементов конструкции с использованием методов математического моделирования и механики разрушения; исследование изменения физико-механических, теплофизических и эксплуатационных свойств материалов при воздействии внешних факторов, в т.ч. климатических.

Информация по телефонам: (499) 263−86−71 Платонов Станислав Геннадьевич; (499) 263−86−20 Яковлев Николай Олегович; (495) 366−71−00 Горбовец Михаил Александрович. E-mail: testmat@viam.ru.

22

DOI 10.25987/VSTU.2018.52.4.002

УДК 625.84-049.32 : 625.717

ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОТРЕМОНТИРОВАННЫХ УЧАСТКОВ АЭРОДРОМНОЙ ПЛИТЫ ОТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТНОГО УЧАСТКА И ХАРАКТЕРИСТИК РЕМОНТНОГО МАТЕРИАЛА

Вл. П. Подольский1, А. Н. Попов2, Е. В. Макаров3

Воронежский государственный технический университет 1 Россия, г. Воронеж

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» 2, 3

Россия, г. Воронеж

1Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой строительства и эксплуатации автомобильных дорог,

тел.: (473)236-18-89, e-mail: ecodor@bk.ru

2Канд. техн. наук, доц., начальник кафедры инженерно-аэродромного обеспечения, тел: +7-919-243-32-17, e-mail: popalni@mail.ru

3Адъюнкт кафедры инженерно-аэродромного обеспечения, тел: +7-910-349-67-79,

e-mail: e.vmakarov@yandex.ru

Постановка задачи. Проводится анализ изменения напряженного состояния восстановленных участков аэродромного покрытия, находящегося под воздействием колесной нагрузки, в зависимости от геометрических параметров дефектного участка и адгезии ремонтных составов по результатам численного моделирования.

Результаты. Исследована зависимость нормальных напряжений восстановленного ямочным ремонтном дефектного участка аэродромной плиты от адгезии ремонтного материала, толщины ремонтной вставки и геометрических размеров в плане. Проанализировано влияние угла наклона контактной зоны, длины скола и адгезионных свойств ремонтного материала на касательные напряжения, возникающие в отремонтированном сколе при воздействии механической нагрузки. Получено распределение напряжений в случае образования трещины и при совместной работе плиты и ремонтного материала.

Выводы. Установлено, что основное влияние на изменение напряженного состояния отремонтированной аэродромной плиты оказывают толщина ремонтной вставки, угол наклона скола и значение адгезии ремонтного материала. Определены минимально допустимые значения адгезии ремонтного материала для заданной нагрузки и модуля упругости в зависимости от толщины ремонтной вставки и угла наклона контактной зоны скола угла.

Ключевые слова: жесткие аэродромные покрытия, напряжения, ямочный ремонт, скол, адгезия ремонтного материала.

Введение. Современные монолитные покрытия являются сложным инженерным сооружением, к техническому состоянию которых предъявляются все более высокие требования. В процессе эксплуатации под воздействием различных видов нагрузок неизбежно образование повреждений, оказывающих влияние на безопасность полетов и долговечность жесткого аэродромного покрытия [9]. С целю обеспечения безопасности взлетно-посадочных операций и повышения срока службы аэродромного покрытия организуются и проводятся работы текущего ремонта, качество выполнение которых напрямую зависит от правильного выбора ремонтного материала и соблюдения технологии производства работ.

© Подольский Вл. П., Попов А. Н., Макаров Е. В., 2018

23

Научный журнал строительства и архитектуры

Во второй половине XX века проводилось большое количество исследований, посвященных повышению долговечности аэродромного покрытия [1—4, 6, 10—11, 14—21]. В разные годы научный интерес к решению данного вопроса проявляли Г. И. Глушков, И. А. Медников, И. А. Белинский [7], В. А. Кульчицкий, В. А. Макагонов [8], Э. Н. Смирнов [13], А. П. Виноградов [5]. Обобщение результатов этих работ, а также накопленный практический опыт позволили создать информационно-техническую базу, которая послужила основой для разработки ряда нормативных документов, регламентирующих работы по поддержанию технического состояния аэродромного покрытия. В то же время в действующих нормативных документах отсутствуют требования к физико-механическим характеристикам и рекомендации по назначению ремонтного материала в зависимости от параметров дефектного участка.

В работах [14, 15] исследовано влияние на напряженно-деформированное состояние (НДС) аэродромного покрытия размера ремонтной вставки в плане, вариации приложения нагрузки, но без учета влияния физико-механических характеристик ремонтного материала. Однако практика эксплуатации показывает, что адгезионные свойства ремонтного материала являются определяющей характеристикой при назначении способа ремонта.

Цель данной статьи — исследовать изменение напряженного состояния отремонтированного аэродромного покрытия в зависимости от адгезии ремонтных составов и геометрических параметров дефектного участка по результатам численного моделирования в программном комплексе «Лира».

1. Исходные параметры для оценки НДС ремонтных участков жесткого аэро-

дромного покрытия. В качестве объекта исследования принята монолитная цементобетонная плита размером 3×3м толщиной 25 см из бетона класса В25 (рис. 1), имеющая ремонтную вставку шириной 60 см и отремонтированный скол. Цементобетонная плита класса В25 характеризуется модулем упругости Е = 30000 МПа, коэффициентом Пуассона μ = 0,2 и подвергается только механической нагрузке от колеса воздушного судна. Нагрузка, равномерно распределенная по площади отпечатка колеса, составляет 10,2 кг/см2 (1 МПа).

Рис. 1. Схема нагружения ремонтных участков жесткого аэродромного покрытия

Численное моделирование методом конечных элементов выполнялось в программном комплексе «Лира». За основу принята расчетная модель и конечноэлементная схема, обоснованная в работе [12]. В качестве варьируемых параметров рассмотрены длина дефектного участка a (a1), толщина ремонтной вставки h1, угол наклона контактной зоны β и адгезия ремонтного материала. Уровни варьирования исследуемых величин и исходные данные для серии численных экспериментов приведены в таблице.

По результатам численных экспериментов получены изополя и численные значения: нормальных напряжений по осям x, y, z; касательных напряжений по осям xy, xz, yz; главных напряжений для варианта с ремонтной вставкой, наибольших касательных напряжений для отремонтированного скола кромки плиты.

24

2. Анализ напряженного состояния аэродромной плиты, имеющей ремонтную вставку. Анализ динамики изменения НДС аэродромной плиты, восстановленной ремонтной вставкой, показал, что ремонтный материал в общем случае работает в сжатой зоне. Размер ремонтного участка в плане оказывает незначительное влияние на НДС как при совместной работе материалов восстановленной конструкции жесткого аэродромного покрытия, так и при образовании трещины. Изменение напряжений находится в пределах

0,02…0,03 МПа (рис. 2).

Рис. 2. Изменение главных напряжений на границе раздела материалов в зависимости от размера ремонтного участка в плане

Непосредственное влияние на НДС участков с ремонтной вставкой оказывают адгезионные свойства ремонтного материала. Динамика изменения главных напряжений в зависимости от значения адгезии представлена на рис. 3. Анализ показывает, что для заданной нагрузки и толщины ремонтной вставки более 40 мм совместная работа материалов восстановленной конструкции обеспечивается при адгезии 2 МПа. Варьирование адгезии в пределах 1…2 МПа сопровождается ростом главных напряжений на 0,34….0,35 МПа как в ремонтном материале, так и в бетоне плиты, при дальнейшем повышении адгезии напряжения практически не изменяются (рост не превышает 0,04 МПа) (рис. 3а).

Обеспечить совместную работу бетона плиты с ремонтным материалом при толщине менее 5 мм возможно при значении адгезии в 11 МПа. В диапазоне адгезии 1,5…..8 МПа на границе раздела материалов возникает трещина, что подтверждается резким снижением напряжений в ремонтном материале с −7 до −1,66 МПа (рис. 3б). При повышении адгезии с 8 до 11 МПа наблюдается незначительный рост напряжений в ремонтном материале на 0,15 МПа, а при адгезии более 11 МПа напряженное состояние не изменяется.

25

Научный журнал строительства и архитектуры

а)

б)

Рис. 3. Изменение главных напряжений на границе раздела материалов в зависимости от значения адгезии ремонтного материала:

а) ремонтный материал с Е = 25000 МПа; б) ремонтный материал с Е = 27000 МПа

Динамика изменения главных напряжений в зависимости от толщины ремонтной вставки представлена на рис. 4.

а)

Рис. 4 (начало). Изменение главных напряжений на границе раздела материалов в зависимости от толщины ремонтной вставки:

а) ремонтный материал с Е = 25000 МПа

26

б)

Рис. 4 (окончание). Изменение главных напряжений на границе раздела материалов в зависимости от толщины ремонтной вставки: б) ремонтный материал с Е = 27000 МПа

Анализ показывает, что глубина дефектного участка непосредственно влияет на изменение напряженного состояния. Увеличение толщины ремонтной вставки нивелирует разницу главных напряжений между ремонтным материалом и бетоном плиты и обеспечивает совместную работу материалов восстановленной конструкции. Например, при толщине ремонтной вставки 5 мм и адгезии 1,5 МПа разница главных напряжений в ремонтном материале и бетоне плиты достигает 5,07 МПа, что свидетельствует о наличии трещины. С увеличением толщины до 50 мм разница напряжений уменьшается до 0,21 МПа (рис. 4б). Дальнейшее увеличение толщины ремонтной вставки не оказывает существенного влияния на напряженное состояние отремонтированной плиты. Аналогичная картина наблюдается и при повышении адгезии, только для обеспечения совместной работы требуется меньшая толщина ремонтной вставки. Например, для адгезии 4 МПа при изменении толщины ремонтного материала с 5 до 20 мм снижение напряжений в ремонтном материале составило 46 %.

При совместной работе ремонтного материала и бетона плиты максимальные значения главных напряжений от воздействия механической нагрузки зафиксированы на поверхности отремонтированного участка в точке приложения нагрузки. Главные напряжения распространяются на глубину порядка 35 мм (рис. 5) с постепенным затуханием по направлению осей X и Y. Однако характер затухания напряжений по осям X и Y неодинаков, что объясняется анизотропной характеристикой плиты (рис. 6а).

Возможности программного комплекса позволяют, визуально зафиксировав момент образования трещины на границе раздела материалов, исследовать изополя напряжений на поврежденном участке. На основании этого установлено, что момент образования и длину трещины на границе раздела материалов представляется возможным определить по характеру распределения главных напряжений на поверхности отремонтированного участка.

В случае образования трещины максимальные напряжения в ремонтном материале вдоль оси Y возникают на расстоянии 10… 20 см от границы раздела материалов (рис. 6б, в). На удалении 40 см наличие трещины не оказывает существенного влияния на напряженное состояние. В момент образования трещины напряжения по оси Y в бетоне плиты превышают напряжения в ремонтном материале (рис. 6б), с увеличением длины трещины напряжения в ремонтном материале начинают возрастать. При длине трещины, равной ширине ремонтной вставки, напряжения в ремонтном материале значительно превышают напряжения бетона плиты (рис. 6в). По оси X в момент образования трещины происходит перераспределение максимальных напряжений в зону, где сохраняется совместная работа материалов восстановленной конструкции (рис. 6б). При длине трещины, равной ширине ремонтной вставки, напряжения в ремонтном материале увеличиваются по всей длине трещины, с максимальным значением в точке приложения нагрузки (рис. 6в).

27

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 5. Распределение главных напряжений по глубине дефектного участка, МПа: а) при глубине ремонта 100 мм; б) при глубине ремонта 70 мм; в) при глубине ремонта 40 мм; г) при глубине ремонта 22 мм

а)

б)

в)

Рис. 6. Эпюра главных напряжений в ремонтном материале при образовании трещины, МПа: а) совместная работа бетона плиты и ремонтного материала;

б) момент образования трещины; в) раскрытие трещины по всей длине ремонтной вставки

На основании анализа результатов численного эксперимента получена зависимость предельного значения адгезии от толщины ремонтной вставки (рис. 7).

Таким образом, учитывая, что адгезионные свойства ремонтных материалов, выпускаемых промышленностью, имеют значения в пределах 1,5…4 МПа, минимальная толщина ремонтной вставки с учетом фракционных свойств материала должна составлять неменее 15 мм.

28

Рис. 7. Зависимость изменения предельного значения адгезии от толщины ремонтного материала

3. Анализ напряженного состояния аэродромной плиты после устранения скола кромки покрытия. Динамика изменения напряженного состояния отремонтированного скола не зависит от модуля упругости ремонтного материала (рис. 8). До момента образования трещины с увеличением модуля упругости ремонтного материала разница напряжений в бетоне и отремонтированном сколе уменьшается. После образования трещины значение модуля упругости не оказывает влияния на напряженное состояние.

Рис. 8. Изменение касательных напряжений на границе раздела материалов при β = 20 :ͦ а) ремонтный материал с Е = 25000 МПа; б) ремонтный материал с Е = 27000 МПа; бетон плиты; ремонтный материал

При фиксированном значении адгезии увеличение угла наклона контактной зоны β (см. рис. 1) сопровождается ростом касательных напряжений за счет снижения толщины ремонтного материала в месте приложения нагрузки (рис. 9). До момента образования трещины зависимость между углом наклона контактной зоны и касательными напряжениями носит линейный характер. Дальнейшее увеличение угла сопровождается резким падением напряжений, обусловленным разрывом связи между материалами восстановленной конструкции и перераспределением напряжений.

Длина отремонтированного скола a1 (см. рис. 1) незначительно влияет на касательные напряжения, возникающие на границе раздела материалов (изменения не превышают

0,03 МПа) (рис. 10).

По площади контакта касательные напряжения в ремонтном материале распределены неравномерно, с максимальным значением в точке приложения нагрузки. При совместной работе материалов восстановленной конструкции касательные напряжения на границе раздела по ширине скола снижаются с удалением от места приложения нагрузки (рис. 11а, б, в). При образовании трещины касательные напряжений перераспределяются в зону совместной работы материалов (рис. 11г). Образование трещины наиболее вероятно по ширине скола. Данный факт объясняется малой по сравнению с длинной шириной скола и соответственно меньшим количеством связей (рис. 11 г).

29

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 9. Изменение касательных напряжений на границе раздела материалов при [Ra] = 4 МПа: а) ремонтный материал на основе минерального вяжущего; б) ремонтный материал на основе полимерного вяжущего;

бетон плиты; ремонтный материал

Зависимость касательных напряжений, возникающих на границе раздела материалов, от адгезионных свойств ремонтного материала характеризуется наличием ярко выраженного граничного значения адгезии, при достижении которого обеспечивается совместная работа бетона плиты и ремонтного материала (см. рис. 8).

Рис. 10. Изменение касательных напряжений на границе раздела материалов в зависимости от ширины ремонтного участка

До достижения граничного значения напряженное состояние ремонтного участка характеризуется значительной разницей в напряжениях между бетоном плиты и ремонтным материалом, что является следствием образования трещины. Результаты численного эксперимента показали, что величина граничного значения адгезии зависит от угла наклона контактной зоны β.

а) β = 10 ;ͦ б) β = 45 ;ͦ в) β = 60 ;ͦ г) β = 80 ͦ

Рис. 11. Эпюры касательных напряжений, возникающие вдоль кромки ремонтного материала по оси Y

На рис. 12 приведен график зависимости предельного (граничного) значения адгезии ремонтного материала от угла наклона β. Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что современные ремонтные материалы промышленного производства позволяют

30